Ảnh hưởng của hydrocarbon thơm đến đặc tính bồ hóng của nhiên liệu hàng không trong ngọn lửa khuếch tán

TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 Ảnh hưởng của hydrocarbon thơm đến đặc tính bồ hóng của nhiên liệu hàng không trong ngọn lửa khuếch tán  Hồng Đức Thông Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM  Osamu Fujita Division of Mechanical and Space Engineering, Hokkaido University, Japan (Bài nhận ngày 13 tháng 7 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015) TÓM TẮT Đặc tính hình thành bồ hóng trong ngọn hỗn hợp. Kết quả cho thấy thể tích bồ hóng lửa khuếch tán, cháy tầng bằng bấc trong tạo thành tỉ lệ thuận với chiều cao ngọn lửa, giới hạn của điểm khói được khảo sát cho lượng nhiên liệu tiêu thụ và nồng độ của dodecane (C12H26) và các hỗn hợp của nó propylbenzene. Trong đó, tác động đến bồ với 10, 20 và 25% thể tích propylbenzene hóng hình thành của Hf, ̇ f và %PB tương (C9H12).Bằng phương pháp hấp thu ánh ứng là một hàm bậc hai, hàm lũy thừa và sáng, thể tích bồ hóng hình thành trong ngọn hàm tuyến tính. Nghiên cứu này tạo ra một lửa (VS) được xác định như là một hàm biến cơ sở dữ liệu để tối ưu hóa các tính năng ưu thiên theo chiều cao ngọn lửa (Hf) và khối nhược của nhóm hydrocarbon thơm trong lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một đơn vị thời nhiên liệu hàng không. Điều này có ý nghĩa gian (̇ f). Từ dữ liệu thực nghiệm thu được, rất quan trọng khi mà hydrocarbon thơm một mô hình toán học được xây dựng để ước được hòa trộn vào paraffin sinh học – được lượng VS của các hỗn hợp sản xuất từ các acid béo có trong dầu thực dodecane/propylbenzene theo hai biến là ̇ f vật bằng phương pháp sử lý Hydro – để sử và nồng độ của propylbenzene (%PB) trong dụng như là nhiên liệu hàng không. Từ khóa: dodecane, propylbenzene, bồ hóng, ngọn lửa khuếch tán. 1. GIỚI THIỆU nghiệp hàng không [1 – 17] từ năm 2008 khi mà Ủy ban Châu Âu thông qua Kế hoạch Kinh doanh Nhiên liệu thay thế như diesel sinh học, Khí thải của Liên hiệp Châu Âu (European Union methanol và ethanol đã được biết đến như là một Emissions Trading Scheme – EU ETS). Chỉ dẫn giải pháp cho an ninh năng lượng thế giới và biến 2008/101/EC của Hội đồng Châu Âu [18] thống đổi khí hậu. Trong thực tế, đã có rất nhiều thành nhất từ năm 2012, khí CO thải ra từ tất cả các tựu trong nghiên cứu và ứng dụng các nhiên liệu 2 chuyến bay thương mại bay đến, xuất phát và tái sinh này trên động cơ tĩnh tại và ô tô ở nhiều trong Liên hiệp Châu Âu đều phải thực thi EU quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, các nhiên liệu ETS. Trong EU ETS, nhiên liệu sinh học được sinh học chỉ nhận được sự chú ý trong ngành công Trang 55 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 xem là trung tính với khí CO2 [19, 20] và các với dodecane [21]. hãng hàng không có thể hưởng lợi từ việc chuyển Lưu lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ nhượng các chỉ tiêu về CO2. (ṁ f) và thể tích bồ hóng hình thành (VS) được Quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học hàng khảo sát theo chiều cao ngọn lửa (Hf), ṁ f = f(Hf) không hiện nay chủ yếu là sử lý Hydro và VS = f(Hf), cho từng hỗn hợp nhiên liệu kể trên (Hydrotreating) và Fischer-Tropsch. Cả hai quy bằng phương pháp hấp thu ánh sáng. Mối liên hệ trình này đều cho sản phẩm cuối cùng là hợp chất giữa VS và ṁ f được tính toán, VS = f(ṁ f). Từ kết paraffin sinh học có mạch carbon nằm trong dãy quả thực nghiệm, thể tích bồ hóng được thiết lập thích hợp của nhiên liệu phản lực (Jet fuel). Để như là một hàm theo hai biến là ṁ f và nồng độ thỏa mãn các tiêu chuẩn nghiêm ngặc của nhiên propylbenzene (%PB) cho các hỗn hợp liệu hàng không các paraffin sinh học này được dodecane/propylbenzene, VS = f(ṁ f, %PB). hòa trộn với các hydrocarbon thơm (<25% thể Mục đích của nghiên cứu này để thấy được tích) để tạo thành nhiên liệu hàng không sinh học. ảnh hưởng của hydrocarbon thơm đến sự hình Các nhiên liệu hàng không sinh học này được hòa thành bồ hóng của nhiên liệu hàng không. Đây là trộn với kerosene hóa thạch (Jet A-1) để tạo ra một cơ sở dữ liệu rất quan trọng để tối ưu hóa các kerosene sinh học sử dụng trên các máy bay mà tác động ưu nhược điểm của hydrocarbon thơm không cần phải thiết kế hay hiệu chỉnh động cơ trong nhiên liệu hàng không sinh học để từ đó có và cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu. thể tối ưu hóa tỉ lệ hòa trộn propylbenzene vào Hydrocarbon thơm được pha vào các paraffin sinh học. paraffin sinh học để (a) hạn chế nhiên liệu rò rỉ ở 2. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM hệ thống nhiên liệu của máy bay [7, 17]; và (b) cải thiện điểm đông (freezing point) của nhiên 2.1 Hệ thống thí nghiệm liệu [21]. Tuy nhiên, hydrocarbon thơm cũng Hình 1 thể hiện sơ đồ của hệ thống thí được biết đến như là một chất phát sinh ra bồ nghiệm để tính toán xác định đặc tính bồ hóng hóng rất mạnh trong khi cháy. Bồ hóng sinh ra có hình thành trong ngọn lửa khuếch tán, cháy tầng, thể gây quá nhiệt buồng cháy, giảm hiệu suất và cùng dòng và bằng bấc thông qua phương pháp tuổi thọ của động cơ máy bay [22, 23]; khi các bồ hấp thụ ánh sáng. Chiều cao ngọn lửa được điều hóng này thoát ra ngoài, chúng gây tác hại chỉnh bằng cách điều chỉnh chiều cao của bấc. nghiêm trọng lên sực khỏe con người và làm trái Ống chứa bấc có đường kính trong là 7 mm và đất ấm lên [24 – 29]. Do đó đặc tính bồ hóng của đường kính ngoài là 8 mm. Buồng cháy hình trụ nhiên liệu hàng không sinh học cần được làm tròn được làm bằng thủy tinh Pyrex có đường sáng tỏ trước khi sử dụng trên động cơ máy bay. kính trong 90 mm và chiều dài là 250 mm. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã khảo sát bồ hóng sinh ra trong ngọn lửa khuếch tán cháy tầng bằng bấc của các hỗn hợp dodecane và propylbenzene với tỉ lệ 0, 10, 20 và 25% thể tích. Dodecane và propylbenzene được lựa chọn làm nhiên liệu thí nghiệm trong nghiên cứu này vì (a) chúng là nhiên liệu đặc trưng cho nhiên liệu hàng không, trong đó dodecane đại diện cho nhóm paraffin và propylbenzene đại diện cho nhóm hydrocarbon thơm [30]; (b) công thức phân tử trung bình của các paraffin sinh học gần giống Hình 1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Trang 56 TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 Không khí được cung cấp từ đáy của buồng Bảng 1. Các mẫu nhiên liệu thí nghiệm cháy với lưu lượng không đổi 30 lít/phút (tương Thành phần, ứng với vận tốc là 7.86 cm/s). Để dòng không khí Nhiên đồng nhất trong khu vực cháy, không khí được Ký hiệu (% thể tích) liệu cung cấp vào buồng cháy thông qua hai lưới tổ C12H26 C9H12 ong có cấu trúc 750 lục giác trên mỗi inch vuông. Để giữ ổ định ngọn lửa, một cái nắp làm bằng (1) Do100% 100 0 inox có đường kính 120 mm, trên đó có nhiều lỗ (2) Do90%+10%PB 90 10 tròn với đường kính 6 mm, được đặt trên đỉnh của (3) Do80%+20%PB 80 20 buồng cháy. Hệ thống thí nghiệm được đặt trong các vách xung quanh màu đen để giảm tác động (4) Do75%+25%PB 75 25 nhiễu ánh sáng từ môi trường. 2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bồ hóng bằng Một kính lọc giao thoa XBPA540, cung cấp phương pháp thu ánh sáng bởi Công ty Spectra Asahi – Hoa Kỳ, dùng để Định luật Beer – Lambert phát biểu rằng sự chọn bước sóng ánh sáng cho hình ảnh thí truyền ánh sáng qua một vật chất là một hàm nghiệm. Kính lọc này chỉ cho phép ánh sáng có logarit của mặt cắt ngang hấp thu, Cext, mật độ bước sóng 540 nm đi qua. Một máy ảnh kỹ thuật các hạt hấp thụ, N, và khoảng cách ánh sáng số Panasonic HDC-TM750 – Nhật Bản, được gắn truyền qua vật chất, L. kính lọc trên đó, để ghi hình nguồn ánh sáng khi I LNC  e ext có và không có ngọn lửa. Video ghi hình được I (1) chuyển sang các hình ảnh tĩnh. Sau đó, các hình 0 ảnh được phân tích để so sánh cường độ ánh sáng d2 CAQQ  của chúng bởi một chương trình Matlab. Thể tích ext C ext ext (2) 4 bồ hóng được xác định bằng cách áp dụng định Trong đó: I, I là cường độ ánh sáng truyền luật Beer – Lambert trong giới hạn Rayleigh. 0 qua vật chất và cường độ ánh sáng truyền thẳng, Lưu lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ AC là diện tích mặt cắt ngang của hạt, d là đường được đo bằng một cân kỹ thuật số Shimadzu kính của hạt, và Qext là hiệu suất cản ánh sáng. UX2200H với khả năng đọc 0.01g và một đồng Theo lý thuyết tán xạ Mie cho hạt cầu [31, hồ điện tử. Để tăng độ chính xác, mỗi lần đo được 32], khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều so với bước thực hiện với một khối lượng nhiên liệu lớn hơn sóng của tia bức xạ tới (x 1) và nếu |m|x 1, 1g và mỗi điểm thử nghiệm được lặp lại ba lần để « « lấy giá trị trung bình. thì hiệu suất được tính gần đúng: 2 Nhiên liệu thí nghiệm là dodecane (C12H26) m 1  Q 4x Im ext 2  (3) và propylbenzene (C9H12) được cung cấp từ Công m 2    ty Millipore Merck, Nhật Bản. Bốn mẫu nhiên liệu trong nghiên cứu này được liệt kê trong Trong đó: x d/  là độ lớn đường kính Bảng 1. hạt, λ là bước sóng ánh sáng, m = n – ik là chỉ số phức khúc xạ của hạt, n và k lận lượt là phần thực và ảo của m, và Im là giá trị ảo của số phức. Trong Trang 57 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 nghiên cứu này, m = 1,57 - 0.51i được chọn để FH R phân tích bồ hóng. Giá trị của trị số này được tính VS dZ  f(Z,r)2 v  rdr (7) toán từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm của 0 0 Dalzell và Sarofim [33]. Trong đó: r là bán kính của ngọn lửa tại Thay (2) và (3) vào (1) ta có: chiều cao Z, R và FH là bán kính ngoài cùng và chiều cao của ngọn lửa. Chiều cao tính toán bồ I  2 d 3 NL m 2  1  ln  Im hóng của ngọn lửa được thể hiện ở Hình 2, trên   2  (4) I0  m 2  độ cao này thì lượng bồ hóng tồn tại không     đáng kể. Tỉ lệ thể tích bồ hóng, fv, có thể được biểu diển theo một hàm của tổng số hạt trên một đơn 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN vị thể tích, N, và đường kính hạt, d, như sau: Các hình ảnh ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu được ghi lại ở độ cao 28 mm thể hiện trong Hình  3 f d N (5) 3. Các hình dạng và màu sắc của các ngọn lửa v 6 thay đổi đáng kể khi nồng độ hydrocarbon thơm Thay (5) vào (4) ta có: thay đổi. Khi %PB tăng lên thì đường kính ngọn I  lửa thu hẹp và biên dạng của nó chuyển từ lồi  ln   sang lõm. Vùng không có bồ hóng ở phần dưới I0  f   ngọn lửa giảm (ngắn) đi và vùng ánh sáng vàng v 2  (6) m 1  ở phần trên di chuyển xuống dưới (gần ống bấc), 6 L Im 2  m 2  điều này cho thấy bồ hóng được hình thành rất gần miệng ống bấc. Khuynh hướng thay đổi cấu Với giả thuyết các hạt bồ hóng có cùng kích trúc hình dạng của ngọn lửa khảo sát trong nghiên thước, tỉ lệ thể tích bồ hóng dựa trên phép đo cứu này rất giống với thí nghiệm của Kobayashi quang học có thể được tính toán từ phương trình và công sự [35] đã nghiên cứu cho benzene (6) bằng cách thu được cường độ của ánh sáng (C6H6) và hexane (C6H14). khi có và không có ngọn lửa, chiều dài ánh sáng truyền qua ngọn lửa và bước sóng ánh sáng. Hình 3. Hình ảnh ngọn lửa ở độ cao 28 mm, (a) – (d) Hình 2. Chiều cao để xác định lượng bồ hóng phát tương ứng với nhiên liệu (1) – (4) sinh trong ngọn lửa %PB càng cao thì ngọn lửa càng sáng. Từ kết quả so sánh cường độ ánh sáng của Dodecane tinh khiết, ngọn lửa (1), có đỉnh ngọn các hình ảnh 2D, trường phân bố tỉ lệ thể tích bồ lửa kín. Khi hydrocarbon thơm được hòa trộn vào hóng trong ngọn lửa 3D, f (Z, r), được xây dựng v dodecane thì đỉnh của ngọn lửa dần mở rộng và bằng thuật toán Abel ba điểm [34]. Thể tích soot, xuất hiện "cánh" bồ hóng trên đỉnh ngọn lửa. Vs, trong ngọn lửa đươc tính như sau: Điều này có thể dự đoán rằng lượng bồ hóng tăng lên khi tăng nồng độ propylbenzene. Trang 58 TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 Hình 4 thể hiện ánh sáng đơn sắc của các Theo lý thuyết ngọn lửa khuếch tán [37, 38], ngọn lửa có cùng nhiên liệu với chiều cao khác chiều cao ngọn lửa, Hf, được tính như sau: nhau (Hình 4a và 4b) và các ngọn lửa có cùng o 0.67 chiều cao nhưng nhiên liệu khác nhau (Hình 4b 22400mT  1 H  f 0 và 4c). Các bóng của ánh sáng (vệt đen) được gây f   1 4 .D0 .MW T f  ln(1 S ) ra bởi sự hiện diện của bồ hóng và chúng trở nên (8) rõ ràng hơn ở Hf cao hơn và %PB lớn hơn. Điều Trong đó: ṁ f là lưu lượng khối lượng nhiên này lại một lần nữa cho thấy rằng bồ hóng sinh ra liệu tiêu thụ, D0 là hệ số khuếch tán tại 300K, nhiều hơn khi chiều cao ngọn lửa và tỷ lệ MW là khối lượng phân tử, Tf và T0 là nhiệt độ propylbenzene trong hỗn hợp tăng lên. trung bình của ngọn lửa và nhiệt độ nhiên liệu/không khí ban đầu, và S là thể tích không khí cần để đốt cháy một thể tích nhiên liệu. Áp dụng công thức gần đúng sau đây: ln (1 + S-1) ~ S-1 (9) Ta có: o 0.67 Hình 4. Ảnh đơn sắc của ngọn lửa – (a) và (b) là 22400mf T0  HSf    nhiên liệu (4) ở độ cao ngọn lửa 14 mm và 28 mm; 4 .D0 .MW T f  (10) (c) là nhiên liệu (2) ở độ cao ngọn lửa 28 mm. Hình 5 trình bày sự tương quan giữa lưu Phương trình (10) cho thấy Hf tỉ lệ tuyến tính lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ và chiều cao với ṁ f nếu các thông số khác giữ không đổi. Tuy ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu. Dodecane có mối nhiên kết quả thí nghiệm cho thấy mối liện hệ trên quan hệ tuyến tính giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ trở nên phi tuyến khi thêm propylbenzene vào và chiều cao ngọn lửa. Kết quả này phù hợp với dodecane. %PB càng lớn thì chiều cao ngọn lửa lý thuyết ngọn lửa khuếch tán [36, 37] và các với cùng một lượng nhiên liệu tiêu thụ càng tăng nghiên cứu thực nghiệm của Olson và các cộng lên so với cách tính HF bằng công thức (10). Sự sự [38], Glassman và Yaccarino [39]. tăng lên của chiều cao ngọn lửa trong trường hợp này được cho là do sự gia tăng tổn thất nhiệt do bức xạ (vì bồ hóng tạo thành trong ngọn lửa tăng lên) làm giảm nhiệt độ trung bình ngọn lửa. Một lý do khác là khi bồ hóng tăng trong ngọn lửa có thể đã thay đổi cơ chế xác định chiều dài ngọn lửa theo công thức (10), ví dụ như là cần phải xét đến thời gian phản ứng oxy hóa bồ hóng hơn là thời gian khuếch tán oxy vào tâm của ngọn lửa. Kết quả của nghiên cứu này khá tương đồng với kết quả của Roper và các công sự [40] trong Hình 5. Tương quan giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ và đó mối quan hệ phi tuyến cũng được tìm thấy chiều cao ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu giữa Hf và ṁ f đối với propylen với giải thích là Trang 59 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 khi nồng độ bồ hóng cao, vùng oxy hóa bồ hóng propylpenzene (Do/PB) với các giả thuyết sau: sẽ tăng lên trong ngọn lửa khuếch tán. - Ảnh hưởng của ṁ f và %PB là độc lập đến sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa, do đó phương trình thể tích bồ hóng, VS(ṁ f, %PB), có dạng: VS(ṁ f, %PB) = f(ṁ f) x f(%PB) (11) Trong đó f(ṁ f) và f(%PB) là các hàm tác động độc lập của ṁ f và %PB đến bồ hóng hình thành. - Hàm ảnh hưởng của lượng nhiên liệu tiêu thụ, f(ṁ f), được giả định là bằng với phương trình thể tích bồ hóng của dodecane, VS(ṁ f, 0). Từ phương trình ở Hình 7 ta có hàm f(ṁ f) của Hình 6. Thể tích bồ hóng biến thiên theo hỗn hợp Do/PB là: chiều cao ngọn lửa của 4 mẫu nhiên liệu f(ṁ f)hh Do/PB = VS(ṁ f, 0) 2.4966 = VS, dodecane = 0.2636(ṁ f) (12) - Sự chênh lệch thể tích bồ hóng hình thành giữa dodecane nguyên chất và các hỗn hợp của nó với 10, 20, 25 %vol. propylbenzene là do sự tác động của propylbenzene, bao gồm cả các tác động kết hợp các hợp chất nhiên liệu, sự khác biệt của các đặc tính nhiên liệu v.v Từ phương trình (11) và (12) ta có hàm f(%PB) của hỗn hợp Do/PB: o Hình 7. Thể tích bồ hóng biến thiên theo lượng VS (mf ,%PB)hh Do/PB nhiên liệu tiêu thụ của 4 mẫu nhiên liệu f (%PB)hh Do/PB  o 2.4966 0.2636(mf ) Hình 6 và 7 thể hiện thể tích bồ hóng biến (13) thiên theo chiều cao ngọn lửa và lượng nhiên liệu tiêu thụ của 4 mẫu nhiên liệu. Kết quả cho thấy Bằng cách thay thế tất cả các dữ liệu thực cho thấy lượng bồ hóng tăng lên khi tăng Hf, ṁ f nghiệm thu được vào phương trình (13) ta có thể và %PB. Sự gia tăng bồ hóng theo ṁ f cao hơn so xác định được hàm gần đúng nhất của ảnh hưởng với Hf. Các đường cong gần đúng thể hiện là hàm %PB đến thể tích bồ hóng hình thành, f (% PB), bậc hai cho mối quan hệ giữa VS với Hf và mối cho các hỗn hợp nhiên liệu Do/PB. quan hệ giữa VS với ṁ f là hàm lủy thừa. Hệ số xác định của hàm này, R, được Từ các dữ liệu thu được, các tác giả đã xây tính như sau: dựng mô hình thực nghiệm để ước lượng thể tích bồ hóng , VS(ṁ f, %PB), như là một hàm hai biến của ṁ f và %PB, cho các hỗn hợp dodecane và Trang 60 TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 n nghiên cứu mới về các yếu tố ảnh hưởng đến 2 (yi f i ) chiều cao ngọn lửa bên cạnh sự khuếch tán oxy R2  1  i total n (14) từ màng lửa vào tâm của ngọn lửa. 2 (yi  y) - Thể tích bồ hóng sinh ra trong ngọn lửa i tăng lên khi tăng chiều cao ngọn lửa, lượng nhiên Trong đó: n là số mẫu khảo xác, yi and fi là liệu tiêu thụ và nồng độ propylpenzene trong hỗn giá trị thực nghiệm và giá trị ước lượng, và y là hợp. Kết quả thực nghiệm cho thấy thể tích bồ giá trị trung bình của các giá trị thực nghiệm. hóng là một hàm lũy thừa đối với lượng nhiên liệu tiêu thụ và là một hàm bậc hai đối với chiều Kết quả hàm thể tích bồ hóng hình thành cao ngọn lửa. trong ngọn lửa và hệ số xác định của hỗn hợp nhiên liệu dodecane/propylbenzene: - Một mô hình thực nghiệm đã được xây 2.4966 dựng để ước lượng bò hóng hình thành cho hỗn VS(ṁ f, %PB)hh Do/PB = 0.2636(ṁ f) * hợp nhiên liệu dodecane/propylbenzene theo hai [12.499(%PB) + 1.0419] (15) biến là lượng nhiên liệu tiêu thụ và đồng độ propylbenzene. Từ mô hình toán học ta có bồ R = 0.94 hóng hình thành trong ngọn lửa tỷ lệ tuyến tính Phương trình (15) cho thấy thể tích bồ hóng với nồng độ của propylbenzene trong hỗn hợp. sinh ra tỷ lệ tuyến tính với %PB. Với giá trị ṁ f Với một lượng nhiên liệu tiêu thụ nhất định, mỗi nhất định, thể tích bồ hóng của hỗn hợp nhiên liệu 1% thể tích propylbenzene thêm vào hỗn hợp thì dodecane/propylbenzene tăng lên khoảng 12% thể tích bồ hóng sinh ra trong ngọn lửa tăng khi mỗi 1% thể tích propylbenzene thêm vào hỗn khoảng 12%. Điều này cho thấy ảnh hưởng của hợp. Điều này giải thích tại so các hydrocarbon hydrocarbon thơm đến sự hình thành bồ hóng là thơm có ảnh hưởng đáng kể rất đến sự phát ra bồ rất đáng kể như đã đề cập ở phần giới thiệu. hóng trong quá trình cháy. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng khi 4. KẾT LUẬN xem xét tỉ lệ hòa trộn tối ưu các hydrocarbon Đặc tính bồ hóng của các hỗn hợp nhiên liệu thơm vào paraffin sinh học nhằm tận dụng các ưu dodecane và propylbenzene ở các tỉ lệ thể tích điểm của hydrocarbon thơm để đạt được các yêu khác nhau với các kết luận như sau: cầu khắt khe của nhiên liệu hàng không và cũng hạn chế được các tác hại do chúng gây ra cho - Lượng nhiên liệu tiêu thụ và chiều cao động cơ, con người và môi trường xung quanh. ngọn lửa có liên hệ tuyến tính đối với dodecane Mặc dù quá trình cháy trong động cơ máy bay nguyên chất. Tuy nhiên, mối quan hệ này trở nên khác rất nhiều so với điều kiện thí nghiệm của phi tuyến khi propylbenzene được thêm vào nghiên cứu này nhưng đây là công việc đơn giản dodecane do sự gia tăng đáng kể về sự hình thành nhất và hiệu quả kinh tế nhất để có được nền tảng bồ hóng trong ngọn lửa. Nồng độ hydrocarbon cơ bản cho việc tìm hiểu cơ chế phức tạp xảy ra thơm càng cao thì chiều cao ngọn lửa thực trong động cơ thật. nghiệm thu được càng lớn hơn so với lý thuyết ngọn lửa khuếch tán. Điều này mở ra một hướng Trang 61 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Effects of aromatic on soot characteristics of aviation fuel surrogates in diffusion flames  Hong Duc Thong Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM  Osamu Fujita Division of Mechanical and Space Engineering, Hokkaido University, Japan ABSTRACT Co-annular smoke-free laminar function of two variables of FMCR and diffusion wick-fed flames of dodecane and its concentration of propylbenzenet (%PB). blended with various amounts of TSVs of Do/PB mixtures increase with propylbenzene of 10, 20, 25 vol.% have increasing Hf, FMCR and %PB. The effect of been used to study soot formation Hf, FMCR and %PB on soot formation are characteristics. Dodecane and respectively expressed as the quadratic, propylbenzene are selected as the power law and linear functions. The result of surrogates for paraffin class and aromatic current work creates a database for class of aviation fuel. A light extinction optimizing the trade-off impacts of aromatic method is adopted to determine the total in aviation fuel. This information is of high soot volume (TSV) as a function of flame importance when blending aromatic to bio- height (Hf) and fuel mass consumption rate paraffins, which is produced from (FMCR). An empirical model has been built triglycerides and fatty acids in the vegetable to predict soot formation of dodecane and by hydrotreating process, for using as a fuel propylbenzene (Do/PB) mixtures as the in aircraft engines. Keyword: dodecane, propylbenzene, soot, diffusion flame. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Cromarty J, Abanteriba S, Utilisation of bio- [3]. Llamas A, et al., Biokerosene from babassu fuels in gas-turbine engines: An and camelina oils: Production and properties experimental and theoretical evaluation, of their blends with fossil kerosene, Energy Proc. SAME 2009; FEDSM2009–78589: Fuels 2012; 26: 5968–5976. 1649–1653. [4]. Jenkins RW, Munro M, Nash S, Chuck CJ, [2]. Llamas A, et al., Biokerosene from coconut Potential renewable oxygenated biofuels for and palm kernel oils: Production and the aviation and road transport sectors, Fuel properties of their blends with fossil 2013; 103: 593–599. kerosene, Fuel 2012; 102: 483–490. Trang 62 TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K7- 2015 [5]. Hileman JI, et al., The Feasibility and Alternative Fuels & Energy Resources potential environmental benefits of Workshop, London, UK, 2009. alternative fuels for commercial aviation, [15]. Bertelli C, Current status of biofuels 26th International Congress of the production and use for commercial aviation, Aeronautical Sciences, ICAS 2008. BIO – V Seminario Latinoamericano y del [6]. Corporan E, et al., Emissions characteristics Caribe de Biocombustibles, Chile, 2010. of a turbine engine and research combustor [16]. Miake-Lye RC, Wood EC, Timko MT, Yu burning a Fischer-Tropsch jet fuel, Energy Z, Effects of alternative fuels on Fuels 2007; 21: 2615–2626. hydrocarbon and particle emissions from [7]. DeWitt MJ, et al., Effects of aromatic type aircraft engines, TAC–2 Proceedings, 2nd and concentration in Fischer-Tropsch fuel International Conference on Transport, on emissions production and material Atmosphere and Climate, Aachen and compatibility, Energy Fuels 2008; 22: Maastricht, 2009: 26–32. 2411–2418. [17]. Beyersdorf A, Anderson B, An overview of [8]. Moses CA, Roets PN, Properties, the NASA alternative aviation fuel characteristics, and combustion experiment (AAFEX), TAC–2 Proceedings, performance of Sasol fully synthetic jet fuel, 2nd International Conference on Transport, Eng J. Gas Turbines Power 2009; 131 (4): Atmosphere and Climate, Aachen and 041502. Maastricht, 2009: 21–25. [9]. Timko MT, et al., Combustion products of [18]. Directive 2008/101/EC of the European petroleum jet fuel, a Fischer–Tropsch Parliament and of the Council of 19 synthetic fuel, and a biomass fatty acid November 2008, Official Journal of the methyl ester fuel for a gas turbine engine, European Union, 2009. Combust. Sci. Technol. 2011; 183: 1039– [19]. Commission Decision 2009/339/EC of 16 1068. April 2009, Official Journal of the European [10]. Rahmes TF, et al., Sustainable bio-derived Union, 2010. synthetic paraffinic kerosene (Bio-SPK) jet [20]. International Air Transport Association, fuel flights and engine tests program results, IATA 2010 report on alternative fuels, 5th 9th AIAA Aviation Technology, Integration, ed., Montreal – Geneva, 2010. and Operations Conference (ATIO) 2009, [21]. Hong TD, Soerawidjaja TH, Reksowardojo Hilton Head, South Carolia. IK, Fujita O, Duniani Z, Pham MX, A study [11]. Holmgren J, Bio aviation fuel, World on developing aviation biofuel for the Biofuels Markets Congress, Brussels, Tropics: Production process - experimental Belgium, 2008. and theoretical evaluation of their blends [12]. Holmgren J, Creating alternative fuel with fossil kerosene, Chem. Eng. and options for the aviation industry: Role of Process 2013; 74: 124–130. biofuel, ICAO Alternative Fuel Workshop, [22]. Blazowski WS, Combustion considerations Montreal, Canada, 2009. for future jet fuels, Proc. Combust. Inst. [13]. Kinder JD, Rahmes T, Evaluation of bio- 1977; 16: 1631–1639. derived synthetic Paraffinic kerosenes (Bio- [23]. Blazowski WS, Future jet fuel combustion SPK), Boeing Company, 2009. problems and requirements, Prog. Energy [14]. UOP Honeywell Company, Commercial Combust. Sci. 1978; 4: 177-199. technologies for green jet fuels, RUSI Trang 63 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 [24]. Pope III CA, Burnett RT, Thun MJ, et al., Canada: A Wiley – Interscience Publication, Lung cancer, cardiopulmonary mortality, 1998. and long-term exposure to fine particulate [32]. Bohren CF, Scattering by particles, the air pollution, J. The American Medical McGraw, Hill Companies, 2010. Association 2002; 287: 1132-1141. [33]. Dalzell WH, Sarofim AF, Optical constants [25]. Kennedy IM, The health effects of of soot and their application to heat-flux combustion-generated aerosols, Proc. calculations, Trans. ASME J. Heat Transfer Combust. Inst. 2007; 31: 2757–2770. 1969; 91:100-104. [26]. Janssen NA, et al., Health effects of black [34]. Dasch CJ, One-dimensional tomography: a carbon, World Health Organization, comparison of Abel, onion-peeling, and Regional Office for Europe, 2012. filtered backprojection methods, Appl. [27]. Webb S, et al., Airport Cooperative Optics 1992; 31: 1146-1152. Research Program, Report 6: Research [35]. Kobayashi Y, Furuhata T, Amagai K, Arai needs associated with particulate emissions M, Soot precursor measurements in benzene at airports, Transportation Research Board, and hexane diffusion flames, Combust. Washington DC, 2008. Flame 2008; 154: 346-355. [28]. Ramanathan V, et al., Indian ocean [36]. Burke SP, Schumann TEW, Diffusion experiment: An integrated analysis of the flames, Ind. Eng. Chem. 1928; 20: 998- climate forcing and effects of the great Indo- 1004. Asian haze, J. Geophysical Research 2001; [37]. Roper FG, The prediction of laminar jet 106: 28,371-398. diffusion flame sizes: Part I. theoretical [29]. Bond TC, et al., Bounding the role of black model, Combust. Flame 1977; 29: 219-226. carbon in the climate system: A scientific [38]. Olson DB, et al., The effects of molecular assessment, J. of Geophysical Research structure on soot formation II. Diffusion 2013; 118: 5380–5552. DOI: flames, Combust. Flame 1985; 62: 43-60. 10.1002/jgrd.50171. [39]. Glassman I, Yaccarino P, The effect of [30]. Colket M, et al., Development of an oxygen concentration on sooting diffusion experimental database and kinetic models flames, Combust. Sci. Tech. 1980; 24: 107- for surrogate jet fuels, American Institute of 114. Aeronautics and Astronautics, 2007. [40]. Roper FG, et al, The prediction of laminar [31]. Bohren CF, Huffman DR., Absorption and jet diffusion flame sizes: Part II. scattering of light by small particles, Experimental Verification, Combust. Flame 1977; 29: 227-234. Trang 64